電動自行車用氫燃料電池動力系統(tǒng)研究

王順權(quán)

（無錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，江蘇無錫 214101）

0 引言

電動自行車已經(jīng)成為我國普通市民最主要的出行方式之一，具有經(jīng)濟環(huán)保、高效方便、價格便宜、操作簡單等優(yōu)點［1］。但是目前電動自行車普遍采用鉛酸電池或者鋰離子電池作為動力源，續(xù)航里程在40～60 km，充電慢，充電過程也有好多安全隱患。燃料電池是近年來出現(xiàn)的綠色動力能源，已經(jīng)在汽車等交通工具領(lǐng)域受到極大重視并已經(jīng)開始商業(yè)化應(yīng)用［2］。對于電動自行車而言，采用燃料電池作為動力源，是一個新的研究方向。燃料電池的特性能夠確保電動自行車?yán)m(xù)航里程不低于現(xiàn)有方案，同時加氫只需要4～6分鐘，使用便利性大幅提高。但是燃料電池的動態(tài)響應(yīng)能力弱，過載能力差，如果僅僅由燃料電池來驅(qū)動車輛，對于整車的加速性能和爬坡性能有較大的影響。本研究旨在通過將燃料電池技術(shù)與一種具備瞬態(tài)大電流發(fā)電能力的儲能設(shè)備連接，使得燃料電池動力系統(tǒng)在具備長航時、快速充裝特性的同時，具備較好的爬坡與加速性能。文章提供了一種電動自行車用氫燃料電池動力控制方法、電動自行車用氫燃料電池動力控制裝置及包括該電動自行車用氫燃料電池動力控制裝置的電動自行車用氫燃料電池動力系統(tǒng)，解決相關(guān)技術(shù)中存在的燃料電池的動態(tài)響應(yīng)能力弱過載能力差的問題。

1 技術(shù)路線

為了達(dá)到上述目的，將適合于長時間穩(wěn)定輸出的氫燃料電池與適合于短時大電流放電的動力型鋰電池并聯(lián)，搭建一種“電電”互混的電動自行車用氫燃料電池動力系統(tǒng)。系統(tǒng)包括燃料電池、鋰電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、儲氫罐、電機和主控單元等，如圖1所示。圖中，儲氫罐用于存儲燃料電池發(fā)電所需的氫氣，燃料電池將氫氣和空氣中的氧氣在合適溫度和催化劑的作用下反應(yīng)產(chǎn)生電力，鋰電池是一種具備瞬間大電流放電能力的儲能裝置，作為啟動電源和彌補系統(tǒng)峰值功率的電源，DC/DC轉(zhuǎn)換器主要用來控制燃料電池和鋰電池的輸出，主控單元是系統(tǒng)的“大腦”，通過電壓傳感器、電流傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等傳感器獲知儲氫瓶、燃料電池、鋰電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電動自行車電機的狀態(tài)，通過能量管理算法對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制和保護(hù)。

圖1 電動自行車用氫燃料電池動力系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，燃料電池通過DC/DC轉(zhuǎn)換器和鋰電池并聯(lián)輸出到電機負(fù)載。正常工作的時候，燃料電池與鋰電池可以同時對外輸出，也可以由燃料電池獨立輸出。當(dāng)鋰電池電量較低，且燃料電池功率有富余時，燃料電池可以通過DC/DC轉(zhuǎn)換器為鋰電池進(jìn)行充電。當(dāng)遇到瞬間大電流放電需求時，鋰離子電池可以短時間輸出大電流來滿足負(fù)載需求。系統(tǒng)中包含的主要模塊如下，判斷模塊，用于在系統(tǒng)電源開啟后判斷鋰電池的工作狀態(tài)是否正常；第一控制模塊，用于在鋰電池的工作狀態(tài)正常時控制鋰電池與電動自行車的驅(qū)動電機連通，且判斷是否滿足氫燃料電池的開啟條件；連通模塊，用于在滿足氫燃料電池的開啟條件時將儲氫瓶與氫燃料電池連通；第二控制模塊，用于獲取鋰電池的荷電狀態(tài)并根據(jù)鋰電池的荷電狀態(tài)控制氫燃料電池的輸出功率。

在上述系統(tǒng)中，需要使用傳感器來取得相應(yīng)模塊的實際工作狀態(tài)。鋰電池電流傳感器分別與鋰電池以及電動自行車用氫燃料電池動力控制裝置連接，用于采集鋰電池的輸出電流，并將采集到的輸出電流反饋至電動自行車用氫燃料電池動力控制裝置；儲氫瓶壓力傳感器設(shè)置在儲氫瓶的出氣口，且與電動自行車用氫燃料電池動力控制裝置連接，用于采集儲氫瓶的壓力，并將采集到的儲氫瓶的壓力反饋至電動自行車用氫燃料電池動力控制裝置；氫氣低壓傳感器設(shè)置在氫燃料電池的進(jìn)氣口處，用于采集儲氫瓶輸出的氫氣的低壓壓力，并將采集到的儲氫瓶輸出的氫氣的低壓壓力反饋至電動自行車用氫燃料電池動力控制裝置；電流傳感器設(shè)置在氫燃料電池的輸出端，用于采集氫燃料電池的輸出電流，并將采集到的氫燃料電池的輸出電流反饋至電動自行車用氫燃料電池動力控制裝置。

2 工作流程

按照上述架構(gòu)圖，設(shè)計電動自行車用燃料電池系統(tǒng)電氣原理圖，如圖2所示。

系統(tǒng)具體工作流程：（1）系統(tǒng)上電：鑰匙吸合，主控單元檢測鋰電池狀態(tài)。如果鋰電池狀態(tài)正常，則吸合鋰電池對外接觸器，允許鋰電池對外輸出；如果鋰電池狀態(tài)不正常，則將報警信息通過液晶顯示模塊顯示。（2）燃料電池開機：鋰電池正常的情況下，主控單元檢測儲氫瓶壓力，如果壓力正常，則打開氫氣進(jìn)氣閥。主控單元檢測氫氣低壓壓力以及燃料電池開路電壓是否正常，氫氣低壓壓力許可范圍為0.3 bar～0.6 bar，燃料電池開路電壓需要高于30 V。如果氫氣低壓壓力和開路電壓正常，則燃料電池開機正常，如果氫氣低壓壓力或者開路電壓不正常，則關(guān)閉氫氣進(jìn)氣閥，并將故障信息上報液晶顯示模塊。（3）能量管理：燃料電池開機正常時，主控單元根據(jù)鋰電池SOC狀態(tài)，通過DC/DC轉(zhuǎn)換器控制燃料電池輸出功率至額定200 W；當(dāng)鋰電池電壓達(dá)到50.7 V時，燃料電池進(jìn)入休眠待機模式，關(guān)閉進(jìn)氣閥；當(dāng)鋰電池電壓降低至46.8 V時，燃料電池自動喚醒，重復(fù)2燃料電池開機步驟。（4）系統(tǒng)關(guān)機：關(guān)掉鑰匙，鋰電池接觸器斷開，燃料電池進(jìn)入關(guān)機模式。燃料電池進(jìn)入關(guān)機模式時，關(guān)閉進(jìn)氣閥，打開排氣閥，將燃料電池內(nèi)的氫氣排空，之后關(guān)閉排氣閥，燃料電池關(guān)機完成，系統(tǒng)自動掉電。

圖2 電動自行車用氫燃料電池動力系統(tǒng)電氣原理

在關(guān)掉氫燃料電池前，對氫燃料電池內(nèi)的氫氣進(jìn)行排放時，可以通過控制進(jìn)氣電磁閥關(guān)閉以及控制排氫電磁閥打開實現(xiàn)對氫燃料電池內(nèi)的氫氣的排空。另外，在需要斷開儲氫瓶與氫燃料電池的連通時，可以通過關(guān)閉氫瓶閥以及關(guān)閉進(jìn)氣電磁閥來實現(xiàn)。需要說明，報警信息可以通過液晶屏進(jìn)行顯示，因此，可以通過電動自行車用氫燃料電池動力控制裝置控制液晶屏的顯示。另外，電動自行車用氫燃料電池動力控制可以通過485通訊端口與DC-DC電源模塊以及液晶屏進(jìn)行信號傳輸。上述氫燃料電池動力控制裝置可以采用單片機實現(xiàn)。

該燃料電池電動自行車在綜合路況行駛時，主要包含如下3種工作模式。第一種工作模式：當(dāng)燃料電池電壓高于鋰電池電壓時，燃料電池可以在為電機供電的同時為鋰電池充電，當(dāng)鋰電池充滿后，充電回路可以根據(jù)需要打開或者切斷。第二種工作模式：當(dāng)燃料電池與鋰電池電壓相當(dāng)時，兩者同時為電機供電。第三種工作模式：當(dāng)燃料電池電壓低于鋰電池時，由鋰電池為電機供電，同時DC/DC轉(zhuǎn)換器由于具有隔離功能，所以鋰電池的電壓不會反饋到燃料電池上。一般車輛在正常行駛的時候，整個動力系統(tǒng)一般處于第一種工作模式，即由燃料電池主要供電。當(dāng)車輛在爬坡或者加速時，整個動力系統(tǒng)一般處于第二或第三種工作模式。當(dāng)系統(tǒng)處于急加速狀態(tài)時，整個動力系統(tǒng)一般處于第三種工作模式。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池和鋰電池方案，采用氫燃料電池作為電動自行車的動力源，具備充裝簡便，續(xù)駛里程長的優(yōu)點。同時，采用“電電”互混技術(shù)將兩種電源并聯(lián)組合使用，使得該電動自行車燃料電池系統(tǒng)能夠以較小的功率保證車輛的正常行駛，同時具備良好的功率動態(tài)響應(yīng)能力和瞬間過載能力，滿足了電動自行車加速和爬坡等短時大電流過載輸出的需求。

表1 主要技術(shù)參數(shù)